ВЕНТИЛЯЦИОННАЯ ТРУБА Российский патент 2005 года по МПК E04H12/28 

Изобретение относится к области строительства, а именно к конструкции вентиляционных труб, и может быть использовано на атомных электростанциях и перерабатывающих ядерное топливо заводах, там, где регулярно через вентиляционную трубу осуществляется отвод производственного воздуха после очистки его на фильтрах от радиоактивных или ядовитых веществ, а также, когда необходимо произвести срочный аварийный выброс этих веществ в виде аэрозолей и газов.

Широко известны конструкции труб вентиляционных систем атомных электростанций, лабораторий и специальных производств, представляющих собой трубу с оголовком. Особенностью вентиляционных систем этого типа является низкая температура сбрасываемых газов до 60 гр. С, что приводит к их быстрому охлаждению и опусканию радиоактивных веществ, при отсутствии ветра в зоне выхлопа. При наличии ветра на лобовой части трубы, примерно на 20% периметра, создается избыточное давление за счет торможения набегающего потока, а на остальной части периметра трубы на 80% за счет вытеснения трубой потока ветра повышение скорости и создание области разрежения, особенно на образующих трубы, это разрежение называется каверной, которая смещена в противоположную сторону от набегающего потока. В эту каверну подсасываются радиоактивные газы, сбрасываемые при нормальной эксплуатации, и аэрозоли при аварии, которые, попадая в каверну, опускаются до основания трубы, а затем затягиваются в заборники воздуха приточной вентиляции, в окна чистых помещений и поверхности нулевой отметки. Таким образом, часть сбрасываемого воздушного факела из трубы при безветрии или ветре может быть разнесена по чистым помещениям и промплощадке.

В качестве аналога предлагаемого изобретения может быть использовано изобретение под названием “Оголовок Л.И.Масюкова” (1). Оголовок установлен на дымовой вертикальной трубе и выполнен с вертикальными щитами, укрепленными перпендикулярно ее наружной поверхности, образующими между собой открытые сверху каналы, а снизу щиты объединены опорным кольцом, имеющим коническую либо пирамидальную форму в соответствии с формой трубы. Конструкция работает следующим образом: ветер, встречая на своем пути оголовок, подтормаживается и обтекает его, причем между щитами, опорным кольцом и трубой со стороны набегающего потока создается повышенное давление и подторможенный воздух выталкивается вверх, вектора потоков ветра и дымовых газов, из которых, складываясь, создается эжектирующий эффект.

При детальном анализе работы трубы с “Оголовком Л.И.Масюкова” возникают следующие вопросы, связанные с аэродинамическим обтеканием цилиндрических и конических тел плоскопараллельным потоком - ветром. При отсутствии ветра оголовок не работает, за счет подогрева воздуха трубой создается небольшой эжектирующий эффект и незначительный радиальный отсос сбрасываемого газа в районе устья трубы.

При обтекании трубы ветром в ее лобовой части за счет заторможенного воздушного потока в каналах, образованных щитами, кольцом и трубой, будут создаваться положительная тяга и образовываться вихри, которые могут быть сброшены в устье трубы, и частично перекрыть ее сечение. На образующей трубы в каналах будут также образовываться вихри, создающие избыточное и пониженное давление до и после щитов, что создаст циркуляцию воздуха как внутри каналов, так и между каналами со срывом вихрей. В теневой части трубы с противоположной стороны от набегающего потока будет образована зона разрежения - каверна, линейные размеры которой значительно больше, чем от трубы без оголовка и значительно шире опорного кольца.

С помощью изобретения под названием “Оголовок Л.И.Масюкова” наша проблема по предотвращению отекания вредных тяжелых газов по стволу трубы не может быть решена, но основные элементы после изменения конструкции могут быть использованы, в частности кольцо оголовка.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому объекту может служить изобретение, в котором описана вентиляционная труба, содержащая оголовок, выполненный в виде обечайки, на которой концентрично закреплена кольцеобразная пластина (2).

При безветрии кольцеобразная пластина оголовка не создает эффекта рассеивания в атмосфере тяжелых сбрасываемых газов, которые стекаются вдоль ствола трубы, и поэтому тяжелые вредные газы подсасываются приточной вентиляционной системой в производственные помещения. При ветре кольцеобразная пластина не обеспечивает разрыва образующейся каверны за трубой и сбрасываемые тяжелые газы, подсасываясь в каверну, увеличивают концентрацию вредных газов, которые опускаются вниз вдоль трубы. К сожалению, когда необходимо произвести аварийный выброс газов в атмосферу, которые имеют повышенную концентрацию вредных веществ, часть их опять попадает в производственные помещения.

Ограничения или защиты от стекающих по стволу трубы воздушных потоков вредных газов при безветрии и присоединенных потоков при ветре у существующих вентиляционных труб нет. Поскольку плотности радиоактивных газов: аргона, криптона и ксенона, выше чем плотность воздуха, а плотность гелия и неона ниже, то они будут сепарироваться и уноситься в атмосферу, а аргон, криптон и ксенон будут оставаться в выхлопе и выпадать, представляя основную составляющую радиоактивности в приземном слое атмосферы.

Задачей предложенного изобретения является устранение или уменьшение указанных недостатков, а именно обеспечение надежного сброса вентиляционной трубой, вредных газов путем создания эффекта рассеивания при безветрии и обеспечении разрыва каверны у оголовка трубы при ветре, исключая или резко уменьшая тем самым концентрацию радиоактивных газов в зоне трубы при нормальной эксплуатации и дополнительно рассеивание в атмосферу аэрозолей при необходимости произвести аварийный выброс.

Поставленная задача достигается тем, что в конструкции вентиляционной трубы, преимущественно для удаления радиоактивных веществ, содержащей оголовок, выполненный в виде обечайки, на которой концентрично укреплена кольцеобразная пластина, новым является то, что, оголовок снабжен коаксиально установленным с зазором в обечайке трубы патрубком с концентрично закрепленной над основной кольцеобразной пластиной, дополнительной кольцеобразной пластиной таким образом, что между верхней и нижней кольцеобразными пластинами образована полость, сообщающая полость вентиляционной трубы с атмосферой, при этом край нижней кольцеобразной пластины отогнут наклонно вверх. Кроме этого, угол отгиба края нижней кольцеобразной пластины может составлять 15-20 градусов.

Снабжение оголовка коаксиально установленным с зазором в обечайке патрубком обеспечивает сохранение высоты выброса факела с сохранением воздушного сопротивления трубы и одновременно осуществление динамического отбора части сбрасываемого газа на создание воздушной завесы. Концентрично закрепленные верхние и нижние кольцеобразные пластины необходимы при безветрии для создания большой площади рассеивания всех вредных газов, а при ветре для разделения потоков воздуха на грязный над верхней пластиной и на чистый под нижней пластиной, исключая их перемешивание и проникновение “грязного” выхлопа в чистую каверну. Кольцевая полость, образованная между верхней и нижней кольцеобразными пластинами, край нижней из которых изогнут вверх под углом 15-20 градусов, необходима для увеличения эффективного диаметра кольцеобразных пластин за счет создания воздушной завесы, которая не позволяет факелу выброса попадать в каверну, распластывает нижнюю часть факела и поднимает его вверх, увеличивая расстояние от трубы до зоны касания факела земли при пониженном атмосферном давлении.

Сущность изобретения поясняется чертежами где

на фиг.1 показан фронтальный вид вентиляционной трубы в разрезе;

на фиг.2 показан план вентиляционной трубы;

на фиг.3 показано поле давлений по периметру трубы и зоны разрежения с противоположной стороны от набегающего потока – каверны для невозмущенного потока,

на фиг.4 показано поле скоростей ветрового потока при обтекании трубы с разной степенью турбулизации.

Вентиляционная труба состоит из основания 1, на котором смонтирована труба 2, в верхней части трубы 2 посредством фланцевого соединения 3 установлен оголовок, выполненный в виде обечайки 4, на которой горизонтально, концентрично закреплена кольцеобразная пластина 5. В обечайке 4 коаксиально с зазором 6 установлен патрубок 7 с концентрично закрепленной другой кольцеобразной пластиной 8. При этом кольцеобразная пластина 8 патрубка 7 расположена над кольцеобразной пластиной 5 обечайки 4 таким образом, что между ними образована полость 9, сообщающая полость 10 вентиляционной трубы 2 с окружающей атмосферой. Край 11 нижней кольцеобразной пластины 5 изогнут вверх и образует с внешней кромкой 12 верхней кольцеобразной пластины 8, выполненной несколько меньшего диаметра, чем нижняя кольцеобразная пластина 5, кольцевую щель 13, которая является соплом для части сбрасываемого воздуха. Стык 14 между кольцеобразной пластиной 8 и стенкой патрубка 7 уплотнен, а на периферии кольцеобразной пластины 8 кольцевая щель 13 выполнена заподлицо. Нижняя кольцеобразная пластина 5, как и верхняя кольцеобразная пластина 8, выполнены ровными по всей поверхности, а внешний край 11 нижней кольцеобразной пластины 5 подогнут вверх под углом 15-20 градусов. Кольцеобразные пластины 5 и 8 выполнены диаметром не более трех диаметров трубы 2.

Вентиляционная труба работает следующем образом. В безветренную погоду (штиль, инверсия) в нормальных эксплуатационных условиях из оголовка трубы 2 в атмосферу осуществляется сброс прошедшего через фильтры воздуха, поступившего из производственных помещений, в котором могут содержаться газы, аэрозоли и другие вещества. В случае необходимости произвести аварийный выброс производственного воздуха из помещений к перечисленным веществам добавляются дополнительные в виде разных соединений аэрозоли йодов. В нормальном режиме при сбросе смеси производственного воздуха, которая имеет допустимые экологические значения, температура ее не превышает 60 гр. С. Смесь очищенного на фильтрах воздуха, поднимаясь по трубе 2, у оголовка распределяется на два потока, один из которых основной центральный составляет около 90% от всего потока, направляется в патрубок 7 и далее в атмосферу, а другой периферийный вспомогательный составляет около 10% от всего потока, проходит в зазор 6 между обечайкой 4 и патрубком 7. Затем вспомогательный поток воздуха попадает в полость 9, образованную между верхней 8 и нижней 5 кольцеобразными пластинами, и выходит наклонно вверх через кольцевую щель 13, образуя веерообразную воздушную завесу. Смесь очищенного производственного воздуха от верхней кромки оголовка поднимается вверх примерно на четыре диаметра патрубка 7 и рассеивается, а часть сбрасываемой воздушной смеси, имеющая несколько большую плотность, оседая вниз вдоль оси трубы 2 достигает верхней кольцеобразной пластины 8, растекается по ней и достигает кольцевой щели 13, которая создает слабо наклонную вверх завесу из теплого воздуха, сбрасываемая смесь подхватывается воздушной завесой и дополнительно за счет эжекции разбавляется атмосферным воздухом. Из сброса уносятся более легкие газы, например гелий и криптон, а остальные несколько тяжелые газы, сильно разбавленные за счет веерообразного распределения, разносятся на значительно большие расстояния от устья трубы 2, не создавая локальных повышенных концентраций вредных веществ.

При скорости ветра 5 м/с и выше картина обтекания воздушным потоком трубы 2 резко меняется, для простого случая при плоскопараллельном обтекании трубы, как показано на фиг.3 при обтекании трубы со стороны набегающего потока, поток тормозится примерно на 20-25% периметра трубы, а остальная часть периметра находится в зоне повышенных скоростей ветра за счет вытеснения струй потока воздуха трубой, где создается зона пониженного давления 80-75% периметра трубы 2, образующая каверну. В этом случае предлагаемая конструкция оголовка трубы 2, имеющего кольцеобразные пластины 5 и 8, не дает опускаться сбрасываемым тяжелым газам воздуха и затянуться в зону каверны всей трубы т.к. кольцеобразные пластины 5 и 8 поперечно разделяют каверну и образуют зону каверны, возникающую от оголовка, и зону каверны, возникающую от ствола трубы 2. Сбрасываемый тяжелый поток воздуха опускается до верхней поверхности кольцеобразной пластины 8 и подсасывается в зону каверны образуемой от оголовка, подхватывается веерообразным потоком, выходящим из щели 13, несколько поднимает его вверх таким образом, что исключает опускание сбрасываемого воздуха ниже кольцеобразной пластины 8 и попадание его в зону каверны, образуемой стволом трубы 2. Ширина веерообразной воздушной защитной завесы, выходящей из щели 13 со стороны ветра, составляет не менее метра, а ширина завесы, образуемой по ветру за оголовком, составляет более десяти метров.

При турбулизированном потоке ветра, как показано на фиг.4, картина становится более сложной в зависимой степени турбулизации и скорости ветра.

При ветре с различной степенью турбулизации потока обтекания трубы 2 использование таблиц и справочников для расчетов по невозмущенному потоку некорректно, гарантированная погрешность по давлениям составит не менее порядка. Это видно из фиг.4, где при различной степени турбулизации зависимости А, В и С скорость обтекания трубы 2 составляет соответственно для лобовой части: 0, 0,4 и 1, для одной боковой образующей: -2,0; -3,4 и -4,8, в противоположной части трубы 2 от набегающего потока ветра: 0,3; 0,6 и 1,2, а на второй образующей трубы: 2,0; 0,4 и -1 относительно скорости ветра. В турбулентном потоке ветра присутствуют все составляющие по степени турбулизации, и поле давлений будет пропорционально изменению квадратов относительных скоростей ветра и приведет к колебаниям скорости потока ветра и давлениям при обтекании трубы 2. Различную степень турбулизации ветрового потока могут вызвать окружающая трубу обстройка промплощадки: главный корпус атомной электростанции, высокие (башни) административные здания, топография местности и т. д.

В случае состояния набегающего ветрового потока фиг.4 происходит аналогичная работа, как и при плоскопараллельном потоке ветра. Кольцеобразные пластины 5 и 8 разделяют потоки воздуха на чистый ниже и загрязненный выше кольцеобразных пластин, сбрасываемый из трубы 2, т.е. происходит разделение каверны за трубой. Образующиеся вихри на верхней поверхности кольцеобразной пластины 8 не срываются с нее, поскольку постоянно работает веерообразная воздушная завеса, которая несмотря на сложную картину обтекания позволяет поднимать сбрасываемый поток воздуха над кольцеобразной пластиной 8 и не давать оседать сбрасываемым газам в районе трубы 2.

Технико-экономический эффект состоит в том, что:

- резко уменьшается в районе трубы концентрация вредных газов и веществ за счет разбавления сбрасываемого воздуха и переноса его за каверну трубы,

- повышается надежность работы специальных производств, требующих постоянные сбросы производственного воздуха или срочный аварийный выброс,

- почти исключается, а в некоторых случаях при безветрии ограничивается попадание в чистые зоны производства сбрасываемых вредных веществ,

- сокращается количество дезактивационных работ на промплощадке и санитарной зоне.

Изобретение относится к области строительства, а именно к конструкции вентиляционных труб, и может быть использовано на атомных электростанциях и перерабатывающих ядерное топливо заводах, там где регулярно через вентиляционную трубу осуществляется отвод производственного воздуха после очистки его на фильтрах от радиоактивных или ядовитых веществ, а также когда необходимо произвести срочный аварийный выброс этих веществ в виде аэрозолей и газов. Технический результат: обеспечение надежного сброса вентиляционной трубой вредных газов путем создания эффекта рассеивания при безветрии и обеспечении разрыва каверны у оголовка трубы при ветре, исключая или резко уменьшая тем самым концентрацию радиоактивных газов в зоне трубы при нормальной эксплуатации и дополнительно рассеивание в атмосферу аэрозолей при необходимости произвести аварийный выброс. Вентиляционная труба, преимущественно для удаления радиоактивных веществ, содержит оголовок, выполненный в виде обечайки, на которой концентрично закреплена кольцеобразная пластина, причем оголовок снабжен коаксиально установленным с зазором в обечайке патрубком с концентрично закрепленной над основной кольцеобразной пластиной дополнительной кольцеобразной пластиной таким образом, что между нижней и верхней кольцеобразными пластинами образована полость, сообщающая полость вентиляционной трубы с атмосферой, при этом край нижней кольцеобразной пластины отогнут вверх. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Вентиляционная труба преимущественно для удаления радиоактивных веществ, содержащая оголовок, выполненный в виде обечайки, на которой концентрично закреплена кольцеобразная пластина, отличающаяся тем, что оголовок снабжен коаксиально установленным с зазором в обечайке патрубком с концентрично закрепленной над основной кольцеобразной пластиной дополнительной кольцеобразной пластиной таким образом, что между нижней и верхней кольцеобразными пластинами образована полость, сообщающая полость вентиляционной трубы с атмосферой, при этом край нижней кольцеобразной пластины отогнут вверх.2. Вентиляционная труба по п.1, отличающаяся тем, что угол отгиба края нижней кольцеобразной пластины составляет 15-20 градусов.